Kênh cổng điện thế natri và kali

Yếu tố cần thiết gây nên quá trình khử cực và tái cực của màng tế bào thần kinh trong suốt quá trình điện thế hoạt động là kênh có cánh cổng điện thế natri- đóng vai trò quan trọng trong việc tăng nhanh chóng hoạt đông tái cực của màng tế bào. 2 kênh có cánh cổng điện thế này được thêm vào cùng với bơm Na+-K+ và kênh rò rỉ kali.

Hoạt hóa và khử hoạt kênh có cánh cổng điện thế natri

Phần trên của hình chỉ ra kênh có cánh cổng điện thế natri ở 3 giai đoạn riêng biệt. Kênh này có 2 cổng: một ở bên ngoài được gọi là cổng hoạt hóa và một cổng ở bên trong gọi là cổng bất hoạt.

Phía trên trái của hình vẽ thể hiện giai đoạn hai cổng này khi màng đang nghỉ, khi điện thế màng là -90mV. Ở giai đoạn này cổng hoạt hóa bị đóng lại, ngăn cản bất kì dòng natri nào vào bên trong sợi thần kinh qua kênh natri.

Hình. Đặc điểm của các kênh điện thế natri (trên cùng) và kali (dưới cùng), cho thấy sự kích hoạt và bất hoạt liên tiếp của các kênh natri và chậm kích hoạt các kênh kali khi điện thế màng thay đổi từ giá trị âm bình thường sang giá trị dương.

Hoạt hóa kênh natri

Khi điện thế màng trở nên ít âm hơn trong giai đoạn nghỉ, tăng dần từ -90mV về phía 0, khi lên tới trị số khoảng -70 đến -50mV thì điện thế đó tạo một sự biến đổi đột ngột hình dáng cổng hoạt hóa, cánh cổng này chuyển sang vị trí mở cửa, ion natri ùa qua kênh vào trong tế bào vì tính thấm của natri với màng tăng lên gấp 500-5000 lần.

Khử hoạt kênh natri

Phần trên hình chỉ ra giai đoạn 3 của kênh natri. Sự tăng điện thế làm mở cổng hoạt hóa thì đồng thời cũng làm đóng cổng khử hoạt.

Cổng khử hoạt được đóng trong vòng vài phần vạn giây sau khi cổng hoạt hóa được mở. Có điều là mở cổng hoạt hóa thì nhanh trong khi đóng cổng khử hoạt thì từ từ. Vì vậy sau khi kênh natri được mở và duy trì trong vài phần vạn giây, cổng khử hoạt đóng lại và ion natri không thể tràn vào bên trong màng tế bào. Ở điểm này, điện thế màng bắt đầu trở lại trạng thái lúc nghỉ. Đây gọi là quá trình tái cực.

Một đặc điểm đáng chú ý của quá trình hoạt động khử hoạt kênh natri là cổng khử hoạt không mở trở lại cho tới khi điện thế màng đã quay trỏ về hoặc gần tới mức điện thế nghỉ ban đầu. Do đó không thể có kênh natri mở trở lại mà không có sự tái cực của các sợi thần kinh.

Hình. Phương pháp kẹp điện thế trên máy để nghiên cứu dòng ion qua các kênh cụ thể.

Kênh cổng điện thế kali và sự hoạt hóa nó

Phần dưới hình chỉ ra kênh có cánh cổng điện thế kali trong 2 giai đoạn: trong lúc nghỉ ( trái) và hướng về kết thúc điện thế hoạt động( phải). Trong suốt giai đoạn nghỉ, cổng kênh kali bị đóng, ion kali bị ngăn chặn đi qua kênh này ra bên ngoài,khi điện thế màng tăng dần từ -90mV về phía 0, khi lên tới trị số khoảng -70 đến -50mV thì điện thế đo tạo một sự biến đổi đột ngột hình dáng cổng hoạt hóa, cánh cổng này chuyển sang vị trí mở cửa,cho phép ion kali ùa qua kênh ra ngoài tế bào. Tuy nhiên có một chút chậm trễ trong việc mở kênh kali, hầu như chúng chỉ mở khi kênh natri bắt đầu đóng lại do sự khử hoạt hóa. Vì vậy việc giảm lượng natri vào trong tế bào cùng với tốc độ của quá trình tái cực dẫn đến việc thiết lập lại điện thế màng trong thời gian vài phần vạn giây.

Phương pháp” kẹp điện thế’ nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp lên việc mở và đóng cánh cổng điện thế. Với các nghiên cứu ban đầu đã dẫn đến sự hiểu biết về các kênh natri và kali,các nhà khoa học Hodgkin và Huxley đã được nhận giải Nobel. Bản chất của những nghiên cứu này được trình bày trong hình.

Hình cho thấy các phương pháp kẹp điện áp, đó là dùng để đo dòng chảy của các ion thông qua các kênh khác nhau. Trong việc sử dụng thiết bị này, hai điện cực được đưa vào các sợi thần kinh.

Một trong những điện cực được sử dụng để đo điện thế màng, và cực còn lại được sử dụng để đo các dòng điện vào hoặc ra khỏi các sợi thần kinh. Thiết bị này được sử dụng theo cách sau: Các nhà khoa học quyết định mà điện áp để thiết lập bên trong các sợi thần kinh. Sau đó, phần điện tử của thiết bị được điều chỉnh để có điện áp mong muốn, tự động tiêm điện tích dương hay âm thông qua các điện cực hiện ở bất cứ tỷ lệ nào cần thiết để giữ điện áp đo bằng điện cực điện áp ở mức độ thiết lập bởi nhà điều hành. Khi điện thế màng được tăng đột ngột tăng bởi kẹp điện thế này từ -90 mV đến số không, các cánh cổng điện thế natri và kali mở và các ion natri và kali bắt đầu đổ qua các kênh.

Hình. Những thay đổi điển hình về độ dẫn của các kênh ion natri và kali khi điện thế màng đột ngột tăng từ giá trị nghỉ bình thường −90 millivol lên giá trị dương +10 millivol trong 2 mili giây. Hình này cho thấy các kênh natri mở (kích hoạt) và sau đó đóng (không hoạt động) trước khi kết thúc 2 mili giây, trong khi các kênh kali chỉ mở (kích hoạt) và tốc độ mở chậm hơn nhiều so với các kênh natri.

Để cân bằng với ảnh hưởng của các dòng ion mong muốn thiết lập điện thế nội bào, dòng điện được tiêm tự động thông qua các điện cực của kẹp điện thế để duy trì điện áp nội bào ổn định cần thiết ở mức không.

Để đạt được mức này, lượng tiêm vào phải bằng nhưng chiều đối ngược với dòng chảy thông qua các kênh trên màng. Để đo dòng chảy hiện tại đang diễn ra tại mỗi thời điểm như thế nào, điện cực được nối với một nghiệm dao động ghi lại dòng chảy hiện tại, như đã chứng minh trên màn hình của nghiệm dao động trong hình. Cuối cùng, các nhà khoa học điều chỉnh nồng độ của các ion để khác hơn so với mức bình thường cả bên trong và bên ngoài các sợi thần kinh và lặp đi lặp lại nghiên cứu. Thí nghiệm này có thể được thực hiện dễ dàng khi sử dụng các sợi dây thần kinh lớn lấy từ một số vật không xương sống, đặc biệt là các sợi thần kinh mực ống khổng lồ, mà trong một số trường hợp đường kính lớn tới 1 mm. Khi natri là ion duy nhất thấm vào dung dịch bên trong và bên ngoài sợi trục mực, kẹp điện thế chỉ đo dòng chảy thông qua các kênh natri. Tương tự với kênh kali.

Một phương pháp khác để nghiên cứu các dòng ion qua một loại kênh riêng biệt là để chặn một loại kênh tại một thời điểm. Ví dụ, các kênh natri có thể bị chặn bởi một chất độc gọi là tetrodotoxin khi nó được gắn vào bên ngoài của màng tế bào, nơi là vị trí các cửa hoạt hóa natri. Ngược lại, ion tetraetylammoni chặn các kênh kali khi nó được gắn vào bên trong các sợi thần kinh.

Hình cho thấy thay đổi điển hình trong độ dẫn của cánh cổng điện thế kênh natri và kali khi thế màng đột nhiên thay đổi thông qua việc sử dụng kẹp điện thế từ -90 mV đến 10 mV và 2 mili giây sau đó, trở lại -90 mV. Lưu ý sự mở đột ngột của các kênh natri (giai đoạn kích hoạt) trong một phần nhỏ của một phần nghìn giây sau khi điện thế màng tăng lên đến giá trị dương. Tuy nhiên, trong một phần nghìn giây tiếp hoặc lâu hơn, các kênh natri tự động đóng lại (giai đoạn bất hoạt).

Lưu ý việc mở (kích hoạt) của kênh kali từ từ và đạt đến trạng thái mở đầy đủ chỉ sau khi các kênh natri đã gần như đóng hoàn toàn. Hơn nữa, một khi các kênh kali mở, chúng vẫn mở cho toàn bộ thời gian điện thế màng hoạt động và không đóng lại cho đến khi điện thế màng được giảm trở lại một giá trị âm.